1.8～3 μm中紅外激光由于具備處于大氣窗口波段、對人眼安全、對大氣分子敏感以及液態水分子強吸收等特性，在雷達、激光通信、環境監測以及高精度手術等領域具有重要的應用價值。近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員蘇良碧課題組與山東師范大學、山東大學、哈爾濱工業大學等機構合作，基于“稀土發光離子局域格位結構設計”的思想，利用三價稀土離子在螢石型結構晶體CaF2/SrF2中自發富集形成離子團簇的特性，通過合理的摻雜機制提高激活離子間的相互作用效率，在低濃度摻雜的情況下實現了超越Stokes量子效率的高效率中紅外波段激光輸出。相關研究成果發表在Photonics Research, Optics Letters, Optics Express 系列學術期刊上。（Photonics Research 2018, 6: 762-767; Optics Letters 2018, 43: 4300-4303; Optics Letters 2018, 43: 2418-2421; Optics Letters 2018, 43: 1726-1729; Optics Express 2018, 26: 5558-5563; Optics Express 2018, 26: 26916-26924）。
研究團隊在Tm:CaF2晶體中引入調劑離子La3+，合理設計晶體的組成和配比，顯著提高了Tm3+離子2μm波段發射截面和熒光壽命；采用792nm激光二極管做泵浦源，在Tm,La:CaF2晶體中實現了斜效率67.8% (Stokes量子效率41%)、功率4.27 W的連續激光輸出，激光波長調諧范圍達190 nm（1850-2050 nm）。
研究團隊利用CaF2-SrF2混晶中陽離子格位無序的特點，合理設計混晶中Ca和Sr的比例，在4 at.% Er:CaF2-SrF2晶體中實現了斜效率41.4% (Stokes量子效率35%)、功率712 mW的3μm波段連續激光輸出，同時在調Q模式下獲得了鎖模激光脈寬1.78 ns、重頻136.3 MHz的穩定脈沖激光輸出。此外，采用980nm激光二極管做泵浦源，在3 at.% Er:SrF2晶體中實現了斜效率41%、功率1.06W的3μm波段連續激光輸出。
研究團隊采用1.94微米Tm光纖激光器做泵浦源，在0.5 at.% Ho:CaF2晶體中獲得了斜效率59.8%、功率7.17 W的2μm波段連續激光輸出。并且，利用聲光調Q技術，實現了脈寬54 ns、單脈沖能量1.9mJ、重復頻率3kHz的脈沖激光輸出，平均輸出功率5.71W，斜效率為48.5%。
該研究工作與目前已報道的同類工作相比具有顯著進步，特別是有效避免了在其他類型激光晶體材料中因高濃度摻雜存在的一系列不利影響，包括激光上能級上轉換效應、晶體光學質量和熱導率下降，從而獲得了高效率的中紅外波動激光輸出。
以上研究工作得到中科院戰略性先導專項（B類）、國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計劃等的支持。
Tm,La:CaF2 晶體連續激光輸出和激光波長調諧范圍：斜效率最高達67.8%，輸出功率4.27 W，波長調諧范圍超過190 nm
Er:CaF2-SrF2晶體連續激光輸出和調Q鎖模激光脈沖：斜效率41.4%、功率712 mW的連續激光輸出；調Q模鎖模激光脈寬1.78 ns、重頻136.3 MHz
Ho:CaF2晶體連續和調Q工作模式下的激光輸出情況：連續激光斜效率59.8%、功率7.17 W；調Q激光平均輸出功率5.71W、斜效率48.5%、脈寬54 ns
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